Навіщо літаку хвіст
У всіх є хвіст: у риб, у птахів, у літаків. Очевидно, що хвостове оперення, тобто “хвіст” потрібен літакам з тієї ж причини, що й птахам, — для керування польотом. Але є літаки без хвоста, і вони також літають. То, може, літакам хвіст і не потрібен?
Навіщо літаку потрібен хвіст
Усе це можна дуже просто пояснити:
Так само як і птахам хвіст літакам потрібен для стабілізації польоту та для керування ним. Це якщо говорити простими словами, а якщо заглибитися в тему, усе стане трохи складніше, але й цікавіше.
Хвостове оперення
Стрілі потрібне оперення для стабілізації в польоті, без нього стріла, випущена з лука, відхилятиметься від своєї траєкторії, і влучити куди-небудь такою стрілою буде складно.
У літака точно така сама ситуація, саме тому хвостове оперення так і називається.
Сам термін прийшов із французької мови — “empennage” походить від слова “empenner”, що перекладається як “оперяти стрілу”, “penne” — це перо. До речі, в англійській мові це також empennage або tail unit.
Функції, які виконує хвостове оперення, це:
- балансування
- керування
- забезпечення стійкості
Зазвичай “хвіст” складається з двох частин: вертикального оперення та горизонтального. Але іноді горизонтального немає (схема “безхвостка”) або взагалі немає жодного оперення — “літаюче крило”.
Але в таких випадках функції оперення виконують інші механізми, розміщені на крилі.
Схема “безхвостка”
Балансування означає урівноваження сил (а точніше моментів сил), які можуть перекинути літак у польоті.
Справа в тому, що на літак діють підйомна сила, яка тягне його вгору, і вага літака, яка тягне його вниз. І оскільки точки прикладання цих сил не збігаються, виникає те, що в авіації називають:
- “пікіруючий момент” — літак опускає ніс униз
Для компенсації цих моментів потрібне горизонтальне хвостове оперення.
Також літак може гойдатися з боку в бік, це називається “рискання”, щоб цьому протистояти, потрібне вертикальне хвостове оперення або просто кіль. Так само, як у корабля, функція у них одна й та сама — забезпечення поздовжньої стійкості.
Щодо керування все просто: частина хвостового оперення рухома і потрібна для керування польотом — поворот ліворуч або праворуч, підняття чи опускання носа.
У сучасних бойових надзвукових літаків горизонтальне хвостове оперення, а іноді й вертикальне, роблять повністю поворотними.
Що означає забезпечення стійкості…
Якщо пояснити простими словами, то при відхиленні літака вліво чи вправо, вгору чи вниз, на хвостовому оперенні виникають сили, які повертають літак назад до прямолінійного польоту.
Навіщо літаку великий хвіст
Коли літаки почали літати на надзвукових швидкостях, площа оперення раптово стала зростати, хоча це здається нелогічним. Адже чим вища швидкість, тим більші аеродинамічні сили, значить стабілізатор може бути меншим. Але ні, усе навпаки.
Незважаючи на те, що Concorde сам по собі дуже довгий, хвіст у нього також великий. Через надзвукову швидкість
На надзвуковий швидкості зміщується центр аеродинамічних сил, момент стає більшим, а значить горизонтальне оперення потрібно більше.
Щодо вертикального оперення, його збільшують через утворення ударних хвиль, які “з’їдають” частину площі, на якій можуть створюватися аеродинамічні сили. Приходиться і тут збільшувати площу.
Навіщо літаку два хвости
Цікаво буде розібратися, навіщо літаку два хвости. Краще сказати — два кіля.
Двокілева схема з’явилася дуже давно, але популярною стала, коли літаки почали літати на надзвукових швидкостях.
Справа в тому, що на надзвукових швидкостях проблем зі стійкістю значно більше, тому інженерам доводилося збільшувати площу вертикального оперення.
Але зі зростанням швидкості кілі ставали просто величезними. Це означало, що потрібно забезпечити більшу міцність, внаслідок чого збільшувалася маса.
А возити зайву вагу літаку зовсім не потрібно. Очевидне рішення — зробити два кілі такої ж площі, як один великий. Вага двох буде помітно меншою за вагу одного, це прояв закону квадрата-куба.
Є й інші причини, чому два краще, ніж один, у певних обставинах.
Два кілі не так сильно “затінюються” фюзеляжем при великих кутах атаки. Тобто вертикальне оперення зберігає свою ефективність.
Це легко помітити на прикладі винищувача F-18. Він палубний, тобто місце для зльоту й посадки буде обмеженим, а кути атаки — великими. Два кілі означають більшу стійкість під час зльоту й посадки.
Тут видно, що якби у F-18 був один кіль, він би потрапив у “тінь” від фюзеляжу
Якщо у літака два двигуни, зробити “два хвости” простіше з точки зору конструкції, адже інакше між двигунами довелося б поставити силову балку, на якій би кріпився хвіст, а це зайва вага.
Крім того, якщо трохи відхилити кілі від вертикалі, це позитивно позначиться на радіолокаційній помітності. З одним стабілізатором так зробити неможливо.
Літакам хвіст не потрібен
А тепер трохи дивного. З точки зору аеродинаміки хвостове оперення літаку не потрібне і навіть шкідливе.
- Вертикальне хвостове оперення створює опір, але підйомної сили не створює.
- Горизонтальний стабілізатор навіть створює від’ємну підйомну силу. Тобто тягне хвіст униз, щоб компенсувати пікіруючий момент. Це називається “втрати на балансування”. Питання вирішується, якщо використовувати схему “качка” і перенести горизонтальне оперення вперед.
- Уся ця конструкція — зайва вага, що літаку не на користь загалом.
Коли інженери вирішують позбутися усього зайвого, вони створюють літак за схемою літаюче крило.
B2 Spirit
Виникає цікаве питання: як же цей літак літає без хвоста? Як забезпечуються балансування, стійкість і керування? Просто всі ці функції виконує крило. B2 у польоті постійно “підрулює”, щоб летіти прямо.
Ідея літаючого крила взагалі не нова, авіабудівники вже давно намагаються позбутися такого “зайвого” хвоста і залишити лише найважливіше й корисне — саме крило. Перші спроби почалися в 30-х роках двадцятого століття.
Але справжній успіх прийшов лише в 1982 році, коли бомбардувальник B2 здійснив свій перший політ. Усе йшло так складно через те, що для польоту без хвоста знадобилася складна система автоматичного керування, простіше кажучи, потрібен комп’ютер, інакше літак буде нестабільним і погано керованим.
Тепер зрозуміло, чому такий, здавалося б, непотрібний елемент конструкції досі використовується в авіації. Без хвоста можна літати. Але це складно й дорого.
Незважаючи на всі переваги схеми літаючого крила, таких літаків побудовано лише 21 штука для найбагатшої армії світу (його спадкоємець B-21 Raider планується випустити партією вже 100 штук). Але всі інші, як цивільні, так і військові літаки, літають із допомогою хвоста.
Чому у сучасних літаків хвіст є завжди
Сучасні пасажирські авіалайнери створюються за класичною схемою: із хвостовим оперенням, яке розташоване за крилом.
Хоча всі конструктори знають про переваги літаючого крила або схеми “качка”. То чому ж ніхто, крім військових, не впроваджує таку перспективну схему?
Просто тому, що все нове — це великий ризик. Ризик технологічний (ми зробимо, а воно не працюватиме, як треба) і економічний (ми зробимо те, що потім ніхто не купуватиме).
| Характеристика | B-2 Spirit | B-52 | Airbus A380-800 | Boeing 777-200LR | Boeing 747-8F | Boeing 737-800F |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Дальність, км | 11 000 | 14 200 | 14 800 | 17 446 | 8 130 | 3 700 |
| Максимальна злітна маса, кг | 170 550 | 220 000 | 575 000 | 347 452 | 447 696 | 79 015 |
| Маса корисного навантаження, кг | 18 000 | 31 500 | 84 000 | 64 000 | 140 000 | 20 000 |
| Тяга двигунів, кгс | 4 × 7 824 | 8 × 3 856 | 4 × 31 638 | 2 × 52 163 | 4 × 26 989 | 2 × 13 154 |
| Витрата палива, кг/год | ~4 500 | ~12 000 | 14 650 | ~8 600 | ~10 800 | ~3 000 |
| Вартість літака (млн.) | ~$2 600 | ~$85 | ~$445 | ~$346 | ~$419 | ~$90 |
| Вартість години польоту | ~$135 000 | ~$88 000 | ~$50 000 | ~$30 000 | ~$45 000 | ~$10 000 |
Якщо подивитися на характеристики класичних літаків і літаючого крила, стає зрозуміло, що:
- Літаюче крило ефективніше з точки зору аеродинаміки. Boeing 737 перевозить 20 тонн на дальність 3700 кілометрів, а B-2 свої 18 тонн може доставити вже на 11000 кілометрів
- Великі літаки класичної схеми при порівнянній дальності мають більшу максимальну злітну вагу, але також більшу витрату палива
- Вартість B-2 без урахування науково-дослідних робіт становить 2 мільярди доларів, а з урахуванням — усі 4. Класичні літаки значно дешевші
В підсумку виходить, що використання добре вивченої схеми з хвостом набагато ефективніше, бо вона вже добре опрацьована й відпрацьована. Ризикувати такими величезними коштами жоден із виробників літаків, здається, ще не готовий.
У 2007 році компанія Boeing проводила дослідження на зменшеному прототипі літаючого крила X-48B. Заявлялося, що перехід від класичної схеми дозволить зменшити витрату палива на 30%.
Boeing X-48B — проект авіалайнера без хвоста
Airbus жодних прототипів не створював, обмежився лише картинками та обіцянкою до 2035 року створити літак, здатний перевозити 200 пасажирів на 3700 кілометрів використовуючи якості палива водень.
Виходить, що ми ще не скоро зможемо побачити літаки без хвоста не на картинках, а в аеропортах. Класична схема з нами буде ще довго.
